‘Open Rotor’-motor voor duurzame luchtvaart

Om het doel van het bereiken van een ecologisch duurzame luchtvaart te bevorderen, hebben de straalmotorreuzen van de VS en Frankrijk maandag een gezamenlijke visie onthuld die zowel het uiterlijk van vliegtuigmotoren als de manier waarop ze werken aanzienlijk zou veranderen. Hun tijdlijn past bij Airbus, maar kan problematisch zijn voor Boeing.

Voor de volgende grote vooruitgang in de toekomstige voortstuwing van vliegtuigen, stelt CFM International – de 50/50 joint venture tussen GE en Safran – voor om in het midden van de jaren 2030 een dramatisch nieuw gasturbinemotorontwerp te leveren.

Het zal een open rotor zijn, die afziet van de conventionele pod rond de roterende ventilatorbladen. Dit maakt een grotere ventilator mogelijk, die een groter luchtvolume naar achteren vegen.

Aanvullende technologieën in de voorgestelde motor van CFM zullen deze compatibel maken met duurzame biobrandstoffen of waterstof en kunnen worden aangepast aan hybride-elektrische werking, aldus de bedrijven.

John Slattery, CEO van GE Aviation, zei dat de geplande motor het brandstofverbruik met ten minste 20% zal verminderen en de luchtvaart in staat zal stellen “de uitdaging van decarbonisatie aan te gaan”.

De aangekondigde tijdlijn voor ingebruikname betekent echter dat een definitieve nieuwe CFM-engine pas over tien jaar zal worden gelanceerd.

Dat heeft grote gevolgen voor Boeing en voor Airbus, die in het verleden vertrouwden op aanzienlijke verbeteringen in de motorefficiëntie om een ​​geheel nieuw vliegtuigontwerp te lanceren. De nieuwste motor van CFM – de LEAP, gelanceerd in 2008 – drijft de 737 MAX van Boeing aan en ongeveer 60% van de rivaliserende A320-straalvliegtuigen die door Airbus zijn gebouwd.

Het vooruitzicht dat CFM’s waterstofcompatibele vervanger voor de LEAP in het midden van de jaren ’30 komt, past precies in de geplande tijdlijn van Airbus voor een opvolger van de A320neo-jetfamilie.

De Europese straaljagerfabrikant heeft verklaard dat het zal proberen om tegen 2035 een emissievrij commercieel vliegtuig te ontwikkelen dat wordt aangedreven door waterstofverbranding door middel van gemodificeerde gasturbinemotoren.

De CFM-tijdlijn is problematischer voor Boeing.

Nadat twee dodelijke crashes de MAX aan de grond hadden gehouden en toen de pandemische neergang de geplande ontwikkeling van een vliegtuig dat de langeafstands-A321neo van Airbus zou kunnen evenaren stopzette, verloor Boeing aanzienlijk marktaandeel in de markt voor jets met één gangpad.

Om dat verloren terrein in te halen, moet Boeing halverwege de jaren ’20 een nieuw vliegtuig lanceren, niet halverwege de jaren ’30.

Maar het zal moeilijk zijn om de miljarden dollars te rechtvaardigen die nodig zijn om een ​​nieuw vliegtuig te ontwikkelen als Boeing de luchtvaartmaatschappijen niet kan garanderen dat ze ten minste 15% brandstofzuiniger zijn dan de vliegtuigen waarmee ze al vliegen. Doorgaans bieden nieuwe motoren het grootste deel van die verbetering.

Slattery zei dat als Boeing dit decennium een ​​​​nieuw vliegtuig lanceert, “we sterk zullen concurreren” om zijn motor te leveren. Dat zou echter een meer conventionele straalmotor zijn met een veel lagere verbetering van het brandstofverbruik.

De tijdlijn van CFM voor zijn toekomstige motor betekent dat als Boeing eerder doorgaat met de lancering van een nieuw vliegtuig, het zal moeten vertrouwen op nieuw casco-ontwerp en productiemethoden om een ​​doorbraak in de verkoop te realiseren.

Strekken voor duurzaamheid

CFM had zeker gehoopt om zijn toekomstvisie aan te kondigen op de Paris Air Show 2021, die deze maand had moeten zijn maar werd geannuleerd vanwege de COVID-19-pandemie.

In plaats daarvan stelden GE’s Slattery en Safran CEO Olivier Andries hun programma op om de voorgestelde nieuwe motortechnologieën te ontwikkelen, demonstreren en testen vanuit Safran’s onderzoeks- en ontwikkelingscentrum in Parijs – de stad waar in 2015 het internationale verdrag over klimaatverandering werd aangenomen.

Andries merkte op dat CFM door vooruitstrevende technologie het brandstofverbruik en daarmee de CO2-uitstoot van zijn motoren de afgelopen 40 jaar met 40 procent heeft verminderd.

Hij zei echter dat, gezien de verwachte sterke stijging van het luchtverkeer in de komende decennia, veel meer drastische vooruitgang nodig is als de luchtvaartmaatschappijen van de wereld hun doelstelling willen halen om de totale CO2-uitstoot tegen 2050 te halveren.

Om dat te bereiken, zelfs als het aantal vliegtuigen groeit, “moet de volgende generatie vliegtuigen de uitstoot met 90% verminderen in vergelijking met de huidige vloot”, zei Andries.

Hij voegde eraan toe dat naar verwachting 40% zal komen van nieuwe motor- en cascotechnologieën, 40% van het gebruik van duurzame brandstoffen en 10% van het stroomlijnen van de luchtverkeersstroom.

CFM heeft zijn nieuwe motorproject RISE genoemd, voor Revolutionaire Innovatie voor Duurzame Motoren.

Andries en Slattery zeiden dat het werk aan RISE in 2019 begon en tegen het einde van dit jaar zal het CFM-onderzoeksteam uitgroeien tot meer dan 1.000 ingenieurs.

Tegen het midden van dit decennium worden grondtests van demonstratiemotoren verwacht, waarna vliegtests van de motoren die op de huidige vliegtuigen zijn gemonteerd, zullen volgen.

Nieuwe technologie

De meest substantiële verandering in het nieuwe motorontwerp is een ventilator met open rotor, ook wel een ventilator zonder kanaal genoemd, die het grootste deel van de verwachte verbetering van het brandstofverbruik oplevert.

CFM stelt een open ventilator voor – vergelijkbaar met een propeller – met kromzwaardvormige roterende bladen en daarachter een cirkel van vaste bladen, of stators, die de luchtstroom rechtzetten. De ventilatorbladen worden gemaakt van geweven koolstofcomposieten.

Daarentegen zijn de grote ventilatoren aan de voorkant van de huidige straalmotoren volledig ingepakt in een beschermende pod, een gondel genaamd, die is gepantserd om elk afbrekend ventilatorblad te bevatten.

Er zijn onlangs herhaalde gevallen geweest van het afbreken van motorventilatorbladen tijdens commerciële vluchten en ernstige schade aan vliegtuigen veroorzakend. Het gebeurde op een oudere United 777 die in februari uit Denver klom. Deze incidenten hadden echter allemaal betrekking op metalen messen, gebarsten door metaalmoeheid.

De GE-koolstofcomposietbladen op de GE-90- en GEnx-motoren die respectievelijk de 777-300ER- en 787-vliegtuigen van Boeing aandrijven, hebben tijdens hun meer dan 140 miljoen vlieguren in dienst nooit een incident gehad waarbij een ventilatorblad is gebroken.

GE heeft in de jaren tachtig eerder een motor met open rotor getest. Het werd nooit aangenomen, deels vanwege zorgen over veel meer geluid van de ventilator zonder schede.

Meer recent deed Safran onderzoek naar open rotoren, gefinancierd door het door de Europese overheid gefinancierde luchtvaartprogramma Clean Sky.

Slattery zei dat de open-rotortechnologie nu is gevorderd tot een niveau dat ervoor zorgt dat de RISE-motor niet luidruchtiger zal zijn dan de huidige LEAP-motor op Boeing’s MAX.

Naast de open ventilator bevat de motor een reeks geavanceerde technologieën.

Een ingewikkeld vervaardigde motorkern voor hoge temperaturen zal zijn voorzien van geavanceerde metaallegeringen en keramiek. Een elektrische generator ingebouwd in de motor zal hybride elektrificatie mogelijk maken. En de motor zal worden ontworpen om mogelijk te draaien op alternatieve energiebronnen zoals biobrandstoffen of waterstof.

Mohamed Ali, vice-president en algemeen manager engineering bij GE Aviation, zei tijdens de presentatie in Parijs dat, omdat elk van deze technologieën zeer uitdagend is, “we onszelf aan het rekken zijn.”

“Er zullen lessen zijn en misschien tegenslagen”, zei hij. “Maar we zijn vastberaden.”

‘Ik zal hier als ingenieur praten,’ voegde Ali eraan toe. “Dit is nirvana.”

Delphine Dijoud, Safran’s uitvoerend manager van het RISE-programma systems engineering, zei dat het project “de volledige financiële en intellectuele kracht” van beide multinationals beheerst.

Het technologisch onderzoek wordt gedeeltelijk gefinancierd door de Franse overheid. Andries zei ook financiële steun van de Europese Commissie te verwachten.

Het project bouwt voort op onderzoek dat tien jaar geleden door de Amerikaanse regering werd gefinancierd, toen GE samen met NASA en de Federal Aviation Administration windtunneltests uitvoerde op open rotoren.

Slattery, een Ier en voormalig hoofd commerciële luchtvaart bij de Braziliaanse vliegtuigbouwer Embraer, werd in september benoemd tot hoofd van GE Aviation. Andries, een voormalige Franse regeringsfunctionaris en een vice-president bij Airbus voordat hij bij Safran kwam, nam de topbaan daar in januari.

De aankondiging van maandag was de eerste fysieke ontmoeting tussen de twee sinds die afspraak.

De twee hielden het grootste deel van de presentatie sociaal afstandelijk. Toen ze echter documenten ondertekenden die de CFM-joint venture tot 2050 verlengden, maakten ze een grote bloei van het pompen van handdesinfecterend middel voordat ze de deal bezegelden met een handdruk.